引言

電液伺服機(jī)構(gòu)作為導(dǎo)彈控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，廣泛用于各種型號(hào)的彈道式導(dǎo)彈上，它的響應(yīng)速度和精度直接影響導(dǎo)彈的命中精度。對(duì)于電液伺服機(jī)構(gòu)這樣一個(gè)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、要求精密的武器裝備，需要電路、液路和氣路多方面的知識(shí)，且在測試過程中有嚴(yán)格的通電時(shí)間限制。目前，基層部隊(duì)訓(xùn)練和軍事院校教學(xué)中，由于受通電時(shí)間所限，電液伺服機(jī)構(gòu)只能依靠文字、圖片、工作流程的動(dòng)畫演示。短期崗位任職技能操作訓(xùn)練，也無法滿足“實(shí)物實(shí)訓(xùn)”的教學(xué)訓(xùn)練需求，裝備操作號(hào)手無法直觀體驗(yàn)電液伺服機(jī)構(gòu)內(nèi)部部件的連接方式和工作過程，不利操作號(hào)手對(duì)裝備本身和原理的深化認(rèn)知，成為院校理論教學(xué)與部隊(duì)操作訓(xùn)練的瓶頸。

1 電液伺服機(jī)構(gòu)原理簡介

某導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。它由伺服放大器、轉(zhuǎn)換放大器（電液伺服閥）、液壓執(zhí)行元件、反饋測量元件和液壓源等組成。

伺服放大器：是將指令電壓和反饋電壓信號(hào)比較后轉(zhuǎn)變?yōu)槌杀壤?a href="http://m.makelele.cn/tags/電流/" target="_blank">電流，控制電液伺服閥工作，達(dá)到精確控制的目的;

電液伺服閥：是轉(zhuǎn)換和放大元件，它將伺服放大器放大后的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為液壓信號(hào)（流量、壓力）輸出并加以功率放大;

液壓執(zhí)行元件：是系統(tǒng)在工作中能動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)化的元件。

其中作動(dòng)筒輸入的是液壓油，輸出的是位移和力矩;反饋測量元件：是測量系統(tǒng)的輸出量，并轉(zhuǎn)化成反饋信號(hào)加入到系統(tǒng)的輸入端，與指令信號(hào)進(jìn)行比較輸出，形成反饋?zhàn)饔茫ＷC系統(tǒng)穩(wěn)定性、可靠性、精確性。

2 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)某導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)原理仿真裝置的總體功能要求，在保證與實(shí)裝工作過程一致的基礎(chǔ)上，結(jié)合該導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)及其測試的特點(diǎn)和工作原理，利用較為成熟自動(dòng)控制技術(shù)和智能檢測技術(shù)，采用先進(jìn)的ARM嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，如圖2所示。

由圖2可以看出，導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)仿真系統(tǒng)包含能源回路和控制回路。其中能源回路功用是提供恒定壓力、足夠流量液壓工作介質(zhì)，對(duì)控制回路的工作起保證作用，其主要元件包括直流電動(dòng)機(jī)、柱塞泵、蓄能器、油箱、溢流活門、防污染元件、過載保護(hù)元件和操作元件等。控制回路是伺服控制系統(tǒng)的核心，是伺服控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制的關(guān)鍵，主要由伺服放大器、電液伺服閥、作動(dòng)器和反饋電位計(jì)組成，其作用是提供控制信號(hào)促使能源回路相應(yīng)地動(dòng)作，并通過反饋回路，對(duì)能源回路的動(dòng)作加以檢測，從而判斷整個(gè)系統(tǒng)是否已完成了預(yù)期的任務(wù)。

由于電氣器件的多方面的適應(yīng)性，因而用它們來進(jìn)行反饋測量以及信號(hào)放大和信號(hào)操作都很理想，另一方面，液壓執(zhí)行器的輸出功率大，結(jié)構(gòu)緊湊，作為動(dòng)力元件十分合適，在一切電氣器件和液壓元件的組合中，都需要一個(gè)元件作為連接兩者的橋梁。在控制系統(tǒng)中，這種轉(zhuǎn)接是由一個(gè)電液伺服閥來完成的，伺服閥將小功率的電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殚y的運(yùn)動(dòng)，然后閥的運(yùn)動(dòng)又去控制流向液壓執(zhí)行器的流量和壓力。

控制電路設(shè)計(jì)采取功能仿真設(shè)計(jì)，使用嵌入式ARM計(jì)算機(jī)構(gòu)成控制系統(tǒng)。硬件部分主要包括：ARM計(jì)算機(jī)、接口模塊、驅(qū)動(dòng)板、各設(shè)備電路等部分。采取分布式控制方式，以ARM計(jì)算機(jī)為核心，配合各類接口擴(kuò)展板，實(shí)現(xiàn)各類信號(hào)的采集與控制。系統(tǒng)仿真控制采取成熟工業(yè)控制技術(shù)，綜合各系統(tǒng)功能需求統(tǒng)一設(shè)計(jì)制作，各子系統(tǒng)功能接口板，如I/O、A/D、數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)、電機(jī)控制、總線控制等接口板，根據(jù)設(shè)備需要獨(dú)立設(shè)計(jì)制作，驅(qū)動(dòng)板主要滿足部分電路和器件的功率要求。由于采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行仿真控制，外圍接口模塊主要完成時(shí)序控制、開關(guān)量控制、信號(hào)采集、電平轉(zhuǎn)換等，總線結(jié)構(gòu)如圖3所示。

伺服機(jī)構(gòu)控制電路功能仿真模塊主要采用對(duì)外接口功能仿真，即利用某導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)仿真系統(tǒng)可以完成技術(shù)陣地電液伺服機(jī)構(gòu)充氣壓力、油面壓力、液壓油溫度檢測等主要任務(wù)，再現(xiàn)某導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)單元測試準(zhǔn)備流程中的要點(diǎn)環(huán)節(jié);通過某導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)仿真軟件及測試流程，給導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)仿真裝置送入各種測試指令，模擬器根據(jù)指令類型及測試進(jìn)程，仿真各種現(xiàn)象，并在面板上顯示各種狀態(tài)信息。導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)仿真系統(tǒng)控制面板如圖4所示。

嵌入式ARM計(jì)算機(jī)綜合處理由電液伺服機(jī)構(gòu)仿真設(shè)備發(fā)來的各種操作信息，并進(jìn)行分類處理，一方面將操作信息發(fā)送到外圍設(shè)備處理模塊，使各分電路工作協(xié)調(diào)一致，實(shí)現(xiàn)信息同步交流與共享;另一方面將處理信息上傳到教學(xué)系統(tǒng)終端，進(jìn)行多媒體教學(xué)互動(dòng)和訓(xùn)練監(jiān)控與管理，嵌入式ARM計(jì)算機(jī)模塊與上位機(jī)的組合結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。外圍模塊主要完成各設(shè)備或儀器的功能仿真，既能獨(dú)立工作，又通過總線結(jié)構(gòu)，與通用計(jì)算機(jī)的進(jìn)行信息交換，保證系統(tǒng)的同步協(xié)調(diào)。

導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)原理仿真裝置通過建立具有與模擬操作測試同步刷新功能的電路、液路和氣路原理軟件演示系統(tǒng)，利用串口通信協(xié)議，接收操作控制面板實(shí)時(shí)發(fā)送的模擬操作硬件接口信息，啟動(dòng)相應(yīng)的測試原理動(dòng)態(tài)顯示模塊，實(shí)現(xiàn)測試原理的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)教學(xué)?？芍庇^、形象的展示電液伺服機(jī)構(gòu)各部件結(jié)構(gòu)、連接關(guān)系及其整體配合工作情況，對(duì)操作號(hào)手認(rèn)知裝備結(jié)構(gòu)、深化原理掌握，具有較好的支撐和保障作用。

導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)原理仿真裝置的硬件設(shè)計(jì)綜合采用光電隔離、電磁屏蔽、數(shù)字濾波、軟件容錯(cuò)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制電路的模塊化、通用化設(shè)計(jì)，便于提高系統(tǒng)的抗干擾能力，保證系統(tǒng)運(yùn)行的高可靠性。通過選用工業(yè)級(jí)液壓元件仿真電動(dòng)液壓能源仿真裝置和電液伺服作動(dòng)器仿真裝置，通過透明液壓管路連接各液壓系統(tǒng)，通過控制面板設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)伺服機(jī)構(gòu)單元測試實(shí)作環(huán)節(jié)仿真，最終實(shí)現(xiàn)電液伺服機(jī)構(gòu)原理仿真。

3 軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件主要包括管理軟件、主控軟件、子機(jī)控制軟件、通信軟件、虛擬仿真軟件、教學(xué)軟件等。為提高編程效率，采用了模塊化設(shè)。

系統(tǒng)軟件：本系統(tǒng)使用的計(jì)算機(jī)輔助測試軟件是C語言和組態(tài)軟件。C語言在Windows操作系統(tǒng)下不僅具有很強(qiáng)的圖形處理功能，而且能對(duì)I/O接口的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速的讀寫，還可以直接控制計(jì)算機(jī)的接口，運(yùn)行速度快，適于動(dòng)態(tài)特性試驗(yàn)，而組態(tài)軟件具有界面直觀和操作方便的特點(diǎn)，適宜進(jìn)行各種液壓元件的穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)。

主控軟件：主要進(jìn)行操作過程和控制邏輯的仿真，主控程序和相應(yīng)的硬件電路相配合，完成操作訓(xùn)練過程中各種開關(guān)量的采集、分析判斷、輸出控制，是保證操作模擬系統(tǒng)正常工作的核心軟件。為確保編制效率，方便調(diào)試修改，控制主程序采用模塊化設(shè)計(jì)，共分為：菜單模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、邏輯運(yùn)算與判斷模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量運(yùn)算模塊和打印輸出模塊等，各模塊之間采用數(shù)據(jù)耦合的形式，通過公共接口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在協(xié)調(diào)系統(tǒng)工作的情況下，有效保證系統(tǒng)運(yùn)行速度。在整個(gè)操作過程中，會(huì)根據(jù)用戶的操作自動(dòng)在各顯示界面跳轉(zhuǎn)，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)判讀，現(xiàn)象、狀態(tài)均與真實(shí)界面一致。如果獲取的操作邏輯與已存儲(chǔ)的邏輯均不一致，系統(tǒng)會(huì)人為用戶進(jìn)行了誤操作，停止硬件現(xiàn)象控制，所有狀態(tài)恢復(fù)初始值，并在軟件界面給出用戶提示。菜單是電液伺服機(jī)構(gòu)仿真系統(tǒng)進(jìn)行人機(jī)交互的主要界面，菜單提供各種測試項(xiàng)目選擇，程序退出也是由菜單選擇控制的。事件處理部分采用邏輯原理仿真，對(duì)錯(cuò)誤操作具有一定的容錯(cuò)性，保證了系統(tǒng)在操作出錯(cuò)情況下不會(huì)出現(xiàn)卡死現(xiàn)象?？刂浦鞒绦蛄鞒虉D如圖7所示。

通信軟件：主要滿足計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)之間、計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間以及網(wǎng)絡(luò)通信要求。本系統(tǒng)的通訊方式主要包括以太網(wǎng)通訊和RS232串口兩種類型。在設(shè)計(jì)時(shí)，同時(shí)考慮了號(hào)位硬件響應(yīng)速度的不同，對(duì)RS232串口單獨(dú)開辟線程，當(dāng)需要響應(yīng)時(shí)，以委托的方法向主進(jìn)程發(fā)送請求，以協(xié)調(diào)不同的響應(yīng)速度并防止程序線程栓塞。

故障診斷軟件：在設(shè)備的硬件和軟件上都有故障設(shè)置功能，來實(shí)現(xiàn)軟、硬件一體化的故障設(shè)置及配套系統(tǒng)。硬件設(shè)置上留有故障設(shè)置開關(guān)，軟件上建立故障庫，用來訓(xùn)練操作號(hào)手分析、排除一般故障的能力，并把分析、排除故障的成績記錄，作為訓(xùn)練管理分系統(tǒng)的原始數(shù)據(jù)，為號(hào)手評(píng)定操作等級(jí)提供依據(jù)。

視景仿真軟件：為了方便教學(xué)訓(xùn)練，電液伺服機(jī)構(gòu)原理仿真系統(tǒng)加入了各設(shè)備的3D模型和系統(tǒng)的工作原理演示動(dòng)畫。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，以虛擬動(dòng)畫和3D模型形式實(shí)現(xiàn)導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)仿真，重現(xiàn)導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)系統(tǒng)工作全過程，使參訓(xùn)人員能直觀的了解到測試過程中的設(shè)備狀態(tài)變化情況，彌補(bǔ)模擬操作真實(shí)感不強(qiáng)的不足。

4 結(jié)束語

本文研制的導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)原理仿真裝置綜合運(yùn)用現(xiàn)代控制技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)和視景仿真技術(shù)，搭建了系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，建立了基于實(shí)體元件和虛擬視景相結(jié)合的復(fù)雜裝備的物理仿真模型。系統(tǒng)集成了某導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)及其測試的教學(xué)與訓(xùn)練功能，能夠完成復(fù)雜裝備外觀結(jié)構(gòu)展示、工作過程演示、工作原理學(xué)習(xí)、故障分析排除等科目，解決了導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)元件多不宜認(rèn)知、結(jié)構(gòu)復(fù)雜難于拆解、工作過程涉及機(jī)電液一體化難于仿真等難題，拓寬了導(dǎo)彈武器復(fù)雜裝備模型仿真的新思路。

該導(dǎo)彈電液伺服機(jī)構(gòu)原理仿真裝置既可代替實(shí)裝進(jìn)行分系統(tǒng)教學(xué)訓(xùn)練，又可進(jìn)行操作流程的教學(xué)訓(xùn)練，還能夠進(jìn)行簡單的故障分析排除教學(xué)訓(xùn)練，大大減少了導(dǎo)彈部隊(duì)采用實(shí)戰(zhàn)裝備訓(xùn)練的次數(shù)，降低了教學(xué)訓(xùn)練費(fèi)用，保證了教學(xué)訓(xùn)練時(shí)間，提高了導(dǎo)彈部隊(duì)的教學(xué)訓(xùn)練效果，深受基層部隊(duì)和相關(guān)院校的歡迎。